авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Структурно-параметрический синтез широкополосных согласующе корректирующих цепей свч устройств на основе морфологического и-или дерева и генетического алгоритма

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ (ТУСУР)

На правах рукописи

Дорофеев Сергей Юрьевич СТРУКТУРНО-ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ШИРОКОПОЛОСНЫХ СОГЛАСУЮЩЕ КОРРЕКТИРУЮЩИХ ЦЕПЕЙ СВЧ УСТРОЙСТВ НА ОСНОВЕ МОРФОЛОГИЧЕСКОГО И-ИЛИ ДЕРЕВА И ГЕНЕТИЧЕСКОГО АЛГОРИТМА Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск 2011 2

Работа выполнена на кафедре Компьютерных систем в управлении и проектировании (КСУП) Томского государственного университета систем управления и радиоэлек троники (г. Томск).

Научный консультант: кандидат технических наук, доцент Бабак Леонид Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший научный сотрудник Газизов Тальгат Рашитович кандидат технических наук, доцент Акимов Сергей Викторович

Ведущая организация: Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), г. Новосибирск

Защита состоится «6» декабря 2011 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и ра диоэлектроники по адресу:

634050 г. Томск, проспект Ленина, 40, к. 201.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского государственного уни верситета систем управления и радиоэлектроники по адресу:

634034 г. Томск ул. Вершинина, 74.

Отзыв на автореферат в 2-х экземплярах, заверенный гербовой печатью, просим направлять по адресу 634050, Томск, пр.Ленина 40, ученому секретарю диссертаци онного совета.

Автореферат разослан «3» ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета Филатов А.В.

ВВЕДЕНИЕ Актуальность и состояние проблемы. В настоящее время во всем мире наблюдается исключительно быстрое развитие радиоэлектронных систем (РЭС), ра ботающих в диапазоне сверхвысоких частот (СВЧ), в том числе беспроводных систем передачи данных, систем сотовой и радиорелейной связи, навигации и радиолокации и др. К важнейшим элементам СВЧ РЭС относятся такие радиоэлектронные устрой ства (РЭУ), как транзисторные усилители, умножители частоты, передающие устройства, во многом определяющие характеристики РЭС.

Важной составляющей проектирования указанных типов СВЧ РЭУ является решение задач широкополосного согласования, а также коррекции произвольной фор мы частотной характеристики (ЧХ). В общем случае требуется согласовать комплексные импедансы источника сигнала и нагрузки с целью максимизации пере даваемой мощности в заданном диапазоне частот, что осуществляется с помощью согласующе-корректирующих цепей (СКЦ). В СВЧ диапазоне СКЦ могут выполнять ся как в сосредоточенном, так и распределенном элементных базисах, иначе говоря, содержать как сосредоточенные (сопротивления, емкости, индуктивности), так и рас пределенные (отрезки линии передачи – ЛП) элементы.

Задача проектирования (синтеза) СКЦ состоит в поиске структуры и значений элементов реактивной цепи, обеспечивающих необходимую форму ЧХ в заданном диапазоне частот при комплексных импедансах генератора и нагрузки. Эта задача имеет большую практическую значимость, так как обеспечивает оптимальное постро ение широкополосных приемопередающих трактов.

Автоматизация процедуры синтеза СКЦ является актуальной проблемой, так как позволяет упростить процесс проектирования и улучшить характеристики синте зированных устройств. Методы синтеза СКЦ достаточно широко рассмотрены в работах Н.З. Шварца, В.М. Богачева, В.Б. Текшева, Г.Н. Девяткова, Л.И. Бабака, Г. Карлина, Б. Ярмана, Д. Меллора, П. Абри и др., тем не менее, они не лишены недо статков. Например, используются только сосредоточенные элементы или только соразмерные отрезки ЛП. Основной недостаток существующих методов – они не учи тывают в полной мере дополнительные требования на структуру и значения элементов синтезируемых цепей, накладываемые при решении практических задач (например, реализуемость элементов и цепи при определенной технологии изготов ления, необходимость подачи питания на транзистор и др.). В результате полученные цепи неудобно, а иногда и невозможно реализовать на практике.

На основе графоаналитических и численных методов разработано несколько систем автоматизированного проектирования (САПР) СКЦ (MultiMatch, Smith, Filter Design Guide, ZMatch). Они позволяют достаточно успешно синтезировать СКЦ, од нако сохраняют отмеченные недостатки реализованных в них методов.

На практике до сих пор наиболее распространенным методом проектирования СКЦ остается эвристический подход, при котором сначала выбирается структура СКЦ на основе упрощенных методов расчета, диаграммы Вольперта-Смита или опы та проектировщика, а затем выполняется параметрическая оптимизация. Такой подход трудоемок и накладывает высокие требования к квалификации проектиров щика, при этом, зачастую не обеспечивая оптимальные решения.

Таким образом, процесс проектирования широкополосных СКЦ, широко при меняемых в СВЧ технике, с учетом требований к структуре и параметрам синтезируемой цепи, форме ЧХ, частотнозависимым импедансам нагрузки и генера тора, до сих пор остается сложной задачей, занимает много времени и требует высокой квалификации разработчика.

В последнее время предложены новые подходы к решению задачи автоматиза ции синтеза РЭУ, в частности, основанные на генетических алгоритмах (ГА), имитирующих эволюционные процессы в природе – обмен генами, мутацию, есте ственный отбор. ГА обеспечивают поиск в дискретно-непрерывных пространствах, оперируют целыми множествами решений (популяцией), а также позволяют находить приемлемые решения за приемлемое время.



Исследованием способов применения ГА к синтезу РЭУ занимается так назы ваемая «эволюционная электроника», которая в настоящий момент активно развивается. Тем не менее, существующие подходы пока недостаточно эффективны.

В частности, методы, описанные в работах Д.Р. Козы, приводят к избыточным схемам РЭУ. Методы синтеза СКЦ на основе ГА, предложенные в работах П. Абри, Д. Плезиса, С. Сана и В. Лау, А.Ф. Поттера и др. не позволяют гибко учитывать тре бования к структуре цепей и решать задачи синтеза СКЦ с произвольной формой ЧХ.

Отсутствие в этой области значимых с точки зрения практики результатов подтвер ждает тот факт, что в настоящее время отсутствуют коммерческие программные средства структурно-параметрического синтеза РЭУ на основе ГА.

Основным недостатком существующих подходов к синтезу РЭУ на основе ГА является отсутствие контроля структуры синтезируемого объекта, что приводит к не реализуемым на практике решениям. Перспективным подходом, позволяющим преодолеть указанную трудность, является морфологический подход (МП), предло женный Ф. Цвикки. К задаче структурно-параметрического синтеза РЭУ МП применил С.В. Акимов, предложив использовать И-ИЛИ деревья для описания струк туры РЭУ. Главной идеей настоящей диссертации является объединение преимуществ МП и ГА с целью получения эффективного инструмента для решения прикладных задач синтеза широкополосных СКЦ. Благодаря рассмотрению задачи с общих позиций ряд результатов диссертации может быть распространен на более ши рокий класс аналоговых РЭУ, например, СВЧ транзисторных усилителей и др.

Серьезной проблемой при реализации структурно-параметрического синтеза с использованием итерационных алгоритмов (к которым относятся и ГА) является так же повышение скорости математического моделирования синтезируемых устройств с заранее неизвестной структурой, так как время синтеза пропорционально времени моделирования.

Цель работы – разработка подхода для автоматизированного структурно параметрического синтеза широкополосных согласующе-корректирующих цепей СВЧ радиоэлектронных устройств в сосредоточенном и распределенном элементных базисах на основе И-ИЛИ деревьев и генетических алгоритмов с учетом практической реализуемости;

проектирование на этой базе согласующе-корректирующих цепей для СВЧ транзисторных усилителей.

Цель работы достигается решением следующих задач:

1) анализ предметной области и существующих подходов к синтезу СКЦ;

2) разработка морфологического И-ИЛИ дерева, описывающих структурно параметрическую модель СКЦ, а также способов его кодирования и варьирования;

3) разработка быстродействующего способа математического моделирования;

4) разработка способа задания требований к СКЦ, оценки проектных решений;

5) реализация разработанного подхода к синтезу в виде программы, исследова ние его эффективности;

6) решение практических задач синтеза СКЦ.

Научная новизна работы:

1) Впервые разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широ кополосных согласующе-корректирующих цепей в сосредоточенном и распределенном базисах на основе генетического алгоритма и морфологических И ИЛИ деревьев, с возможностью расширения на другие классы устройств.

2) Впервые предложен способ математического моделирования линейных ра диоэлектронных устройств на основе сопоставления И-ИЛИ дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, специально ориентированный на применение в задачах динамической генерации структуры устройств.

3) Предложен набор эвристических правил, учитывающих особенности проек тирования лестничных цепей и позволяющих повысить практическую эффективность синтеза согласующе-корректирующих цепей на основе генетического алгоритма.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1) Разработанный на основе И-ИЛИ деревьев способ формирования морфоло гических моделей РЭУ позволяет контролировать структуру и параметры элементов РЭУ, что позволяет синтезировать удобные для практической реализации цепи.

2) Использование ГА позволяет одновременно получать группу различных схемных решений. Это дает возможность проектировщику выбрать схемное решение на основе не только значений характеристик, но и особенностей практической реали зации (например, обусловленных технологией изготовления).

3) Использование эвристических правил обеспечивает генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращает время синтеза.

4) Разработанная программа INDESYS-MATCH обеспечивает решение широ кого круга задач синтеза широкополосных СКЦ как на сосредоточенных, так и распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых комплексных им педансах генератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. По сравнению с другими программами синтеза, INDESYS MATCH позволяет расширить класс решаемых задач, полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ (типичное время синтеза СКЦ составляет несколько се кунд), снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика.

5) С использованием программы INDESYS-MATCH решен ряд практических задач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей: первых в Рос сии копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм GaAs гетероструктурной mHEMT технологии Института СВЧ полупровод никовой электроники РАН (ИСВЧПЭ РАН);

трехкаскадного малошумящего усилителя (МШУ) диапазона 27-31 ГГц с фильтрующими свойствами для системы космической связи, выполненного по монолитной 0,1 мкм GaAs mHEMT технологии D01MH фирмы OMMIC для французского космического агентства CNES;

трехкас кадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».

Положения, выносимые на защиту:

1) Комбинирование с применением генетического алгоритма радиоэлектрон ных компонентов, входящих в обобщенную морфологическую модель в виде И-ИЛИ дерева, позволяет осуществить одновременно структурный и параметрический синтез широкополосных согласующе-корректирующих цепей, обеспечивающих заданную форму частотной характеристики.

2) Обход морфологического И-ИЛИ дерева и сопоставление аналитических мо делей компонентам дерева позволяет вычислить частотные характеристики динамически сгенерированных согласующе-корректирующих цепей с меньшими временными затратами, чем с использованием алгоритмов универсального моделиро вания.

3) Использование в генетическом алгоритме эвристических правил, учитываю щих особенности проектирования согласующе-корректирующих цепей, позволяет повысить эффективность синтеза: запрет генерации ряда однотипно включенных со средоточенных элементов позволяет получать корректные с точки зрения схемотехники цепи лестничного типа;

исключение следующего после колебательного контура звена лестничной цепи позволяет фиксировать порядок лестничной цепи;

за мена в генетическом алгоритме цепей с повторяющейся структурой на случайно сгенерированные обеспечивает постоянный структурный поиск.

Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная часть НИР ТУСУР и поддержана грантами: У.М.Н.И.К., Бизнес-СТАРТ с Microsoft, РФФИ №09-07-99020, INTAS №06-1000024-9199, ФЦП «Научные и научно педагогические кадры инновационной России» (гос. контракты №№П1418, П1492, П669), гос. контракт № 354/1 от администрации Томской области, гос. контракты №14.740.11.0135 и №16.740.11.0092 «Проведение научных исследований коллектива ми научно-образовательных центров в области микроэлектроники».

Результаты исследования докладывались в 9 докладах на международных научно-технических конференциях «СВЧ-техника и телекоммуникационные техно логии» (Севастополь, 2008 г.), «Электронные средства и системы управления» (Томск 2007, 2010 гг.), «Современные техника и технологии» (Томск, 2010 г.), «Сту дент и научно-технический прогресс» (Новосибирск, 2010 г.), в 17 докладах на Всероссийских научных конференциях «Научная сессия ТУСУР» (Томск, 2007- гг.), «Современные проблемы радиоэлектроники» (Красноярск, 2008-2009 г.), «Ползу новские гранты молодым ученым» (Барнаул, 2008 г.), «Технологии Microsoft» (Томск, 2009-2010 гг.), «Интегрированные САПР для разработки инновационной радиоэлек тронной продукции, аппаратуры и систем» (Санкт-Петербург, 2010 г.) и др.





По результатам выступлений на конференциях и конкурсах получены: грамота за лучшую научную работу во всероссийском открытом конкурсе, диплом лауреата «Ползуновские гранты молодым ученым», диплом I степени У.М.Н.И.К., дипломы I степени «Технологии Microsoft» в секциях «Интеллектуальные системы и техноло гии» и «Системы автоматизированного проектирования», диплом II степени в конкурсе «Microsoft Imagine Cup 2010» по Сибири и Дальнему Востоку. Созданный проект группового обучения студентов по теме исследований №1015 «Интеллекту альные системы синтеза СВЧ РЭУ» занял второе место в конкурсе ТУСУР в 2010 г.

По совокупности научных результатов автору присужден статус «Лауреат Томской области среди молодых ученых 2010».

По результатам научно-исследовательской деятельности опубликовано 32 ра боты по теме диссертации, а также издано 4 учебно-методических пособия. В число работ входит 5 публикаций в журналах, включенных в перечень ВАК. Получено сви детельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты были использованы в ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), НИИ Полупроводниковых приборов (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск), Научно-образовательном центре «Нанотехнологии» при ТУСУРе (г. Томск), Исследовательском институте систем СВЧ и оптической связи (XLIM, г. Лимож, Франция), Французском космическом агентстве (CNES, г. Тулуза, Франция), а также в учебном процессе каф. КСУП ТУСУР.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты иссле дований получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии.

Автор развил идею использования МП совместно с ГА для решения задачи структур но-параметрического синтеза СВЧ РЭУ, предложил и реализовал подход к быстродействующему математическому моделированию СВЧ РЭУ, предложил идею создания программной системы INDESYS, разработал программу INDESYS-MATCH обеспечивающую синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, за ключения, списка литературы и трех приложений. Общий объем работы составляет 229 страниц. Основная часть включает 192 страницы, в том числе 108 рисунков и таблицу. Список используемых источников содержит 183 наименования.

Краткое содержание работы Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмече ны недостатки существующих подходов и программного обеспечения для синтеза широкополосных СКЦ для СВЧ РЭУ, рассмотрены преимущества использования ГА и МП для структурно-параметрического синтеза технических объектов. Определены цель и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность ра боты, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе описывается постановка проблемы структурно параметрического синтеза широкополосных реактивных СКЦ, используемых в СВЧ РЭУ. Рассматриваются существующие методы, алгоритмы и программное обеспече ние для проектирования СКЦ, отмечаются их достоинства и недостатки:

1) графоаналитические методы на основе круговой диаграммы Вольперта-Смита;

2) классические методы синтеза, предполагающие решение задачи синтеза в два эта па – сначала аппроксимация ЧХ синтезируемой цепи, затем – реализация;

3) численные методы на основе метода «реальной частоты», случайного или систе матического поисков;

4) методы областей и «визуального» синтеза, предполагающие представление тре бований к цепям в виде областей допустимых значений импеданса.

Графоаналитические и классические методы трудоемки, требуют высокой ква лификации разработчика и позволяют решать ограниченный круг задач.

Графоаналитические методы плохо пригодны для решения задач широкополосного согласования. В классических методах требуется представить генератор и нагрузку в виде эквивалентных RLC-цепей, что не является тривиальной задачей для случая ши рокополосного согласования. Численные методы, как правило, реализуются на основе алгоритмов нелинейной оптимизации, а значит, зависимы от выбора началь ного приближения и целевых функций (ЦФ), могут приводить к локально оптимальным решениям. Метод областей и «визуальное» проектирование при синтезе СКЦ с числом элементов более 4-5 трудоемки, требуется высокая квалификация и опыт проектировщика.

Главный недостаток большинства существующих методов – отсутствие воз можности учитывать ограничения на структуру синтезируемой цепи и значения элементов, что затрудняет реализацию полученных СКЦ. Метод синтеза, предназна ченный для практического применения, должен позволять проектировщику ограничивать область поиска только рациональными структурами (например, обеспе чивающими подачу напряжения на транзистор и т.д.).

Кроме того, метод должен предоставлять несколько различных вариантов про ектных решений, которые являются оптимальными по различным, часто несовместимым, критериям (таким как степень согласования на различных участках частотного диапазона, количество элементов, удобство практической реализации и др.). В зависимости от важности критерия в каждом конкретном случае проектиров щик выбирает наиболее подходящее решение.

В настоящее время наиболее развитой программой синтеза СКЦ является MultiMatch IMW, основанная на методе систематического поиска. К сожалению, про грамма не обеспечивает полного контроля структуры синтезируемых цепей, не позволяет получать произвольные формы ЧХ (только плоские и с постоянным накло ном), не учитывает ограничения на импеданс цепей за полосой согласования.

Остальные известные программы повторяют недостатки используемых в них мето дов: не позволяют решать задачи широкополосного согласования (программа Smith), не обеспечивают возможности контроля структуры цепей и значений элементов (Filter Design Guide, ZMatch), требуют аппроксимации сопротивлений генератора и нагрузки эквивалентными RLC-цепями (Filter Design Guide).

В главе рассматриваются принципы итерационной оптимизации и оценки про ектных решений на основе различных ЦФ, приводится обзор ГА и достижений «эволюционной электроники» в области синтеза аналоговых РЭУ, в частности, СКЦ.

При синтезе РЭУ на основе ГА конкретная схема (особь) и значения элементов устройства кодируются в виде набора варьируемых целочисленных и вещественных параметров (генов), определяющих тип элемента, способ его включения, номинал и т.д. ГА является итерационным алгоритмом и оперирует одновременно со множе ством особей – набором проектных решений. В процессе работы ГА особи обмениваются генами, порождая новые особи (скрещивание), в них вносятся случай ные мутации, худшие особи отбрасываются (естественный отбор). При использовании ГА возникает проблема преждевременного заполнения всей популя ции одной или несколькими «нишами» (близкими вариантам одной особи), в результате чего появление качественно новых особей значительно затруднено.

Наиболее значительные достижения в области автоматического синтеза согла сующих цепей были получены Абри и Плезисом на основе гибридного ГА, в котором классический ГА был дополнен методом наискорейшего спуска. В этой работе об ласть структурного поиска ограничена классом лестничных цепей (каскадно соединенных четырехполюсников – звеньев, в каждом из которых используются па раллельные или последовательные соединения элементов, рис.1а), как наиболее удобных для реализации СКЦ. Данная работа не позволяет учитывать требования к структуре согласующей цепи для учета особенностей практической реализации и по лучать произвольные формы ЧХ.

Описанные трудности могут быть преодолены с помощью МП, позволяющего задать и ограничить класс возможных структур синтезируемого объекта в виде мор фологического И-ИЛИ дерева. Применительно к РЭУ И-ИЛИ дерево определяет декомпозиционную иерархическую модель синтезируемого класса РЭУ и позволяет задавать как все возможные (допустимые) структурные компоненты устройства.

Каждый элемент морфологического И-ИЛИ дерева (далее – «компонент») описывает структурное соединение связанных с ним компонентов нижнего уровня. И-связь означает, что нижестоящий компонент будет обязательно включен в данное струк турное соединение, а ИЛИ-связи образуют наборы альтернативных компонентов, среди которых осуществляется структурный поиск. В процессе синтеза все наборы ИЛИ-связей должны быть вырождены до одной связи в каждом наборе, в результате дерево опишет схему с конкретной структурой. Основное преимущество использова ния морфологических И-ИЛИ деревьев – значительное сокращение пространства поиска за счет обеспечения поиска только в области рациональных структур.

Одним из ключевых факторов, определяющих эффективность итерационных методов синтеза, является быстродействие моделей, так как время анализа каждого решения в итоге определяет общее время синтеза. Реализация быстродействующей процедуры моделирования осложняется тем, что изначально нет информации о структуре и параметрах генерируемых проектных решений. Заранее запрограммиро вать полные аналитические модели расчета характеристик для всех возможных вариантов устройств в общем случае невозможно ввиду их большого количества, а универсальные алгоритмы моделирования имеют значительно более низкое быстро действие. Поэтому возникает задача разработки способов моделирования РЭУ, специально ориентированных на задачи синтеза в условиях вариации структуры и па раметров устройства. При этом к быстродействию динамически формируемой в процессе синтеза математической модели предъявляются повышенные требования.

Согласно модели синтеза, предложенной С.В. Акимовым и развитой в данной работе, процесс синтеза можно условно разделить на ряд уровней. Уровень иденти фикации М1 обеспечивает получение вектора параметров, кодирующих синтезируемый объект (схему РЭУ), варьируя которые можно получать различные варианты решений. Уровень спецификации М2 задает однозначное соответствие по лученного набора значений кодирующих параметров конкретному объекту предметной области (схеме устройства с определенной структурой и номиналами элементов). Уровень анализа М3 задает математическую модель и позволяет вычис лить значения характеристик решения. Уровень предметной области М обеспечивает управление процессом синтеза. На этом уровне становится возможным задать эвристические правила, отражающие специфические знания предметной обла сти, позволяющие направить процесс синтеза и, таким образом, значительно ускорить получение оптимального решения.

Данные уровни относительно независимы друг от друга и позволяют разделить метод синтеза на четыре отдельных части, что значительно упрощает их программ ную реализацию и адаптацию к использованию для синтеза объектов других предметных областей, замену способов моделирования или кодирования особей, применение оптимизационных алгоритмов, не основанных на ГА, и т.д.

В конце главы формулируются задачи, которые решаются в данной работе.

Во второй главе разрабатывается и исследуется численный метод на основе ГА и И-ИЛИ деревьев для синтеза широкополосных СКЦ, используемых в СВЧ РЭУ.

В данной главе разрабатывается морфологическое И-ИЛИ дерево, содержащее обобщенную модель СКЦ (рис. 1а) в виде цепи лестничного типа. Построенные мор фологические деревья отдельных типов РЭУ можно использовать при синтезе более сложных РЭУ. На рис 2. демонстрируется его использование в двухкаскадном усили теле (рис.1б).

а) Звено 1 Звено 2 Звено N...

Выходная Межкаскадная Усилительный Усилительный Входная б) СКЦ каскад 1 каскад СКЦ СКЦ Рис. 1. Структурные схемы СКЦ в виде лестничной цепи (а) и двухкаскадного усилителя (б) Рис. 2. Морфологическое дерево двухкаскадного усилителя с СКЦ На рис. 2 приняты следующие обозначения: в виде прямоугольников показаны способы включения, в виде эллипсов – элементы. Сплошная линия означает связь ти па «И» (компонент обязательно войдет в синтезированное РЭУ), пунктирная линия – связь типа «ИЛИ» (войдет только один из набора вариантов).

Полный контроль над каждым компонентом синтезируемой цепи обеспечивает ся подключением или отключением отдельных ветвей морфологического дерева.

Например, при синтезе СКЦ проектировщик может задать необходимые ограничения для каждого звена. Это позволяет ограничить область поиска только рациональными структурами, одновременно ускоряя получение оптимального проектного решения.

Вырождая наборы связей ИЛИ до одной, можно обеспечить структурный синтез.

Каждому компоненту можно дополнительно сопоставить диапазоны варьиро вания вещественных параметров (на рис. 2 нижние и верхние пределы обозначены с префиксами min и max соответственно). Варьируя параметры элементов в этих диапа зонах, можно обеспечить параметрический синтез.

Для обеспечения уровня идентификации M1 предлагается следующий способ.

Кодирующий РЭУ набор варьируемых параметров формируется рекурсивным обхо дом морфологического дерева. Целочисленные параметры описывают порядковый номер узла из набора альтернатив ИЛИ-ветви, а вещественные – значения параметров элементов РЭУ. Диапазон варьирования целочисленных параметров равен количеству ИЛИ-альтернатив в узле, диапазоны вещественных параметров (номиналов элемен тов) задаются проектировщиком перед началом синтеза. Например, для описания структуры и параметров СКЦ, показанной на рис. 2, требуется 9 целочисленных и вещественных параметров. Варьирование их любым способом (например, ГА) в по лученных диапазонах обеспечивает получение различных проектных решений.

Соответствие набора значений варьируемых параметров конкретным схемам РЭУ (декодирование) задает уровень спецификации М2. В работе предлагается спо соб реализации уровня М2 на основе принципов объектно-ориентированного программирования. Создаются классы, которые описывают каждый возможный вид элементов и структурных соединений. Каждый класс содержит в себе номиналы эле мента или ссылки на вложенные в него компоненты. Объектная модель конкретной цепи РЭУ формируется в результате последовательного обхода вырожденного дерева с соответствующей иерархической подстановкой компонентов (рис.3).

Рис. 3. Иерархическая структура компонентов при декодировании Для решения задачи отображения РЭУ в виде принципиальной схемы предло жено в каждом классе дополнительно хранить относительное положение вложенных компонентов и координат узлов. Разработан алгоритм универсальной геометрической интерпретации (отображения) схемы РЭУ вне зависимости от степени вложенности ее компонентов.

Для вычисления характеристик полученной схемы на уровне анализа M3 пред ложен способ динамического формирования математических моделей по морфологическому И-ИЛИ дереву непосредственно в процессе синтеза. Каждому ви ду компонента И-ИЛИ-дерева задается прямая аналитическая модель, позволяющая рассчитать Z-, Y-, A- или S- параметры на основе параметров входящих в него ком понентов более низкого уровня. Кроме того, созданы модели характеристик, которые могут вычислять как частотнозависимые (коэффициент передачи, коэффициент отра жения и др.), так и интегральные значения характеристик (минимальное или максимальное значение характеристик во всем частотном диапазоне) на основе вы численных параметров компонентов. Задав номиналы всех элементов РЭУ и определив способы включения его компонентов, можно вычислить его ЧХ. Всего бы ло разработано более 50 моделей, позволяющих вычислять ЧХ коэффициента передачи для СКЦ в виде лестничной цепи на основе сосредоточенных (R, L, C, в том числе колебательных контуров) и распределенных элементов (отрезков ЛП).

Описанный способ моделирования обеспечивает возможность быстрого расши рения элементной базы, а также обеспечивает высокую скорость моделирования СВЧ РЭУ за счет многоуровневой организации несложных аналитических моделей. Благо даря использованию объектно-ориентированного подхода он легко реализуется в виде программного кода.

После вычисления характеристик полученного проектного решения становится возможным оценить его соответствие заданным требованиям на основе вычисления значения ЦФ. Для задания требований к СКЦ и оценки полученных решений в дан ной работе выбран следующий способ. Пользователь задает допустимые диапазоны значений моделируемой ЧХ (для СКЦ такой характеристикой может быть коэффици ент передачи по мощности) в виде нижнего и верхнего пределов на каждой из частотных точек. После моделирования ЧХ синтезированной цепи рассчитываются их отклонения (запасы) по отношению к заданным предельным значениям. Значения за пасов передаются в выбранную ЦФ, которая производит численную оценку данного проектного решения. Описанный подход обеспечивает возможность задания требова ний при любой необходимой форме ЧХ коэффициента передачи по мощности.

На уровне синтеза М4 в данной работе в качестве алгоритма, варьирующего па раметры синтезируемого объекта, используется ГА, разработанный в ТУСУР В.А. Вьюшковым. После исследования влияния настроек на результаты синтеза были выбраны следующие значения его параметров – размер популяции 300 особей, мута ция в виде инвертирования 0,01% битов в каждой особи.

Разработаны эвристические правила, учитывающие особенности проектирова ния лестничных цепей (запрет дублирующихся звеньев, фиксирования количества элементов цепи) и СВЧ РЭУ (нишевая селекция РЭУ). Эвристические правила устра няют ряд проблем, возникающих во время синтеза, и сокращают пространство поиска.

Первая проблема – в процессе синтеза зачастую получается лестничная цепь, имеющая «дублирующиеся звенья» (ряд последовательно или параллельно включен ных однотипных сосредоточенных элементов). Их можно представить в виде одного элемента того же типа с эквивалентным номиналом (рис. 4).

В результате теряется возможность ограничивать значения параметров элемен тов с верхней стороны (эквивалентный номинал может оказаться выше допустимых пределов). Кроме того, происходит незапланированное снижение размерности (по рядка) лестничной цепи. Схему с меньшим порядком проще оптимизировать (так как значение ЦФ зависит от меньшего числа параметров), таким образом, она имеет больше шансов для скрещивания в ГА и постепенно заполнит популяцию своими ва риантами. Но поскольку из теории согласования известно, что схема более высокого порядка потенциально может иметь лучшее согласование, то полученные в результате синтеза решения в виде схем меньшего порядка будут неоптимальными.

Рис. 4. Однотипно включенные элементы лестничной цепи Для решения этой проблемы предложено правило запрета дублирующихся зве ньев лестничной цепи. Он основан на введении в этап декодирования таблицы запретов, которая содержит типы элементов, непригодных к использованию для де кодирования текущего звена.

Таблица запретов содержит список уже декодированных сосредоточенных эле ментов последовательного ряда звеньев лестничной цепи, содержащих одинаковые способы структурного включения (параллельного или последовательного). В случае получения в следующем звене того же способа включения, а также типа элемента, со держащегося в таблице запретов, элемент принудительно меняется на любой, не содержащийся в ней. Если в таблице нет доступных элементов, меняется способ его включения. При получении способа включения, отличающегося от способа включе ния в предыдущем звене, таблица обнуляется.

Использование таблицы запретов полностью устраняет проблему дублирования звеньев, обеспечивая тем самым генерацию корректных структур лестничной цепи.

Вторая проблема связана с тем, что общее количество элементов лестничной цепи может изменяться в процессе синтеза, так как в каждом звене могут находиться одноэлементный или двухэлементный (колебательный контур) компоненты. Как ре зультат, алгоритм синтеза СКЦ в меньшей степени задействует колебательные контуры, что часто служит причиной потери глобально-оптимального решения. Пе ременное число элементов цепи неудобно при проектировании, так как разработчик, как правило, стремится решить задачу с минимально возможным количеством эле ментов, увеличивая порядок цепи лишь в том случае, если не удается выполнить требования при меньшем количестве элементов.

Данная проблема решена с помощью предложенного правила фиксирования ко личества элементов лестничной цепи, исключающего звено, следующее за двухэлементным контуром. В начале работы проектировщик задает суммарное коли чество элементов в лестничной цепи. В случае если в процессе декодирования в звене оказывается двухэлементный компонент, то в следующее звено будет принудительно помещен специальный компонент «Провод», который не содержит элементов. Это позволяет сохранить суммарное количество элементов в цепи неизменным.

Третья проблема вызвана эффектом преждевременного заполнения всей попу ляции ГА одной или несколькими «нишами» (близкими вариантам одного и того же решения). Применительно к синтезу РЭУ данную проблему решает разработанная нишевая селекция РЭУ, который ограничивает количество схем с одинаковой струк турой (рис. 5).

Структура цепи 1 Структура цепи 2 Структура цепи Особь Значение ЦФ Особь Значение ЦФ Особь Значение ЦФ Схема 5 Схема 23 Схема 0,4152 0,1258 0, Схема 34 Схема 44 Схема 0,6127 0,6589 1, Схема 12 Схема 0,7526 5, Схема 36 Схема 1,2365 8, Схема 9 Схема 5,7528 12, Схема 17 12, Рис. 5. Сортировка и удаление схем в нишевой селекции РЭУ Принцип работы нишевой селекции сводится к следующему. Все схемы РЭУ сортируются по виду их структуры, затем в списках схем одинаковой структуры вы полняется сортировка по значению ЦФ. В них оставляется по три лучших особи, значения ЦФ остальных особей задаются равными –. ГА автоматически заменяет такие особи в популяции на случай но сгенерированные. Описанный алгоритм, наряду с использованием мутации, гарантирует постоянный структурный поиск.

Этапы разработанного подхода к структурно-параметрическому синтезу РЭУ и их соответствие уровням М1-М4 показаны на рис. 6.

Подход был реализован в програм ме синтеза СКЦ INDESYS-MATCH.

Для оценки эффективности эв ристических правил с ее помощью решен следующий тестовый при мер. Необходимо синтезировать 8 элементный фильтр с полосой про пускания 300-350 МГц при сопротивлении генератора и нагрузки 50 Ом. Задача выбрана как наиболее сложная из задач синтеза СКЦ (как правило, цепи с числом элементов более 8 на практике не синтезируют).

Рис. 6. Схема разработанного подхода Выполнялось по 10 запусков реализованного алгоритма длительностью по минуты (среднее время, по истечении которого алгоритм переставал находить новые решения). Полученные решения (табл. 1) оценивались по значению минимаксной ЦФ (1) и отклонению от требований (оба эти критерия должны быть минимальными).

max( Pf 1 G( f1 ) G0 ( f1 ),, Pfi G( f i ) G0 ( f i1 ),, Pfm G( f m ) G0 ( f m ) ), (1) где G0 ( f ) (G ( f ) G ( f )) / 2 – среднее значение коэффициента передачи по мощно сти на частоте f c минимально и максимально допустимыми значениями G- ( f ) и G+ ( f ), Pfi – весовые коэффициенты на частоте fi, m – количество частотных точек.

По результатам синтеза были отмечены следующие особенности:

1) при отключенном правиле запрета однотипных звеньев лестничной цепи в 2 по лученных схемах имелись последовательно или параллельно включенные однотипные сосредоточенные элементы;

2) при отключении нишевой селекции РЭУ по истечению указанного промежутка времени в популяции остается только одна структура цепи, не позволяющая по лучить оптимальные характеристики;

3) отключение правила фиксирования количества элементов цепи в 7 из 10 случаев приводит к схемам, содержащим более 8 элементов.

Таблица Результаты тестирования эвристических правил (10 запусков по 3 минуты) Среднее ариф- Максимальное Лучшее зна- Среднее арифме Эвристические правила метическое отклонение от чение ЦФ тическое G G–(f) и G+(f) значение ЦФ Все правила (рис.6) 0,083 (рис.7) 584,9 0,0540 0, Без запрета дублирую 10101 10784 0,3822 0, щихся звеньев Без нишевой селекции 58240 2056 0,1451 0, Без фиксирования коли 1024,3 0,139 0,0557 0, чества элементов в цепи а) схема, синтезированная с использованием б) характеристики решений:

предложенных эвристических правил прерывистая линия – классический метод, сплошная линия – разработанный метод Рис. 7. Результаты синтеза полным численным методом Табл. 1 демонстрирует значительное превосходство метода, использующего все предложенные эвристические правила. Полученные результаты синтеза сравнимы с результатами, полученными другими методами (рис. 7б).

В качестве эталона для тестирования быстродействия и точности созданного алгоритма математического моделирования использована САПР Microwave Office.

Результаты измерения времени расчета коэффициента передачи по мощности вариантов СКЦ для той же задачи показывают превосходство программной реализа ции разработанного подхода в 7-8 тысяч раз. Такая значительная разница, вероятно, обусловлена различиями в подходах к моделированию – программа Microwave Office использует универсальные алгоритмы, а предложенный подход – многоуровневую систему прямых аналитических моделей. При сравнении учтено время, затрачиваемое на вызов программных функций Microwave Office.

Третья глава посвящена описанию разработанной программной системы INDESYS, предназначенной для реализации на ее основе различных прикладных про грамм в области СВЧ РЭУ. Одним из них является программа INDESYS-MATCH, обеспечивающая синтез широкополосных СКЦ на основе И-ИЛИ деревьев и ГА.

Структура разработанной системы показана на рис. 8.

Рис. 8. Структура системы INDESYS и программы INDESYS-MATCH Система INDESYS содержит ядро Kernel, общий пользовательский интерфейс GUI, связь с программой Microwave Office обеспечивается посредством MWOManag er. Программный интерфейс INDESYS API, доступный для внешних программ, определяется классом App.

Ядро программной системы INDESYS состоит из нескольких сотен классов общего назначения: комплексная арифметика, матричная алгебра, геометрическая ин терпретация схем РЭУ, алгоритмы моделирования СВЧ РЭУ, оптимизации, вычисления ЦФ и др. Общий пользовательский интерфейс представляет собой глав ное окно программы, дерево проекта, средства отображения данных (графики, таблицы) и общие диалоговые формы. Из Microwave Office можно импортировать ча стоты, импедансы нагрузки и генератора, а также экспортировать, что удобно при синтезе в СВЧ устройств, содержащих СКЦ (например, усилителей).

На базе системы INDESYS создан ряд программ: визуального проектирования СКЦ INDESYS-LM, построения моделей элементов на основе ГА INDESYS-MB, ра боты с измерительной аппаратурой INDESYS-MS.

На ее базе так же создана программа INDESYS-MATCH (рис. 9), реализующая предложенный в данной работе подход на основе И-ИЛИ деревьев и ГА. INDESYS MATCH позволяет синтезировать СКЦ для СВЧ РЭУ на сосредоточенных и распре деленных элементах, обеспечивающие широкополосное согласование произвольных комплексных импедансов генератора и нагрузки при любой форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. Программа состоит из пошагового мастера задачи Wizard, собственного окна MATCH Window и загрузчика MATCH Plugin, обеспечивающего взаимодействие с системой INDESYS (рис. 8).

Рис. 9. Внешний вид главного окна программы INDESYS-MATCH в процессе синтеза СКЦ В четвертой главе описываются результаты решения тестовых и практических задач синтеза широкополосных СКЦ с помощью программы INDESYS-MATCH.

В качестве эталона для сравнения различных методов синтеза СКЦ наиболее часто используется задача Фано: согласовать трехэлементную RLC-нагрузку с рези стивным сопротивлением генератора в полосе частот от 0 до 1 ГГц. Результаты синтеза с использованием различных методов приведены в табл. 2, где |Гmax| – макси мальное значение модуля коэффициента отражения в полосе согласования;

Gmin=1– |Гmax|2 – минимальное значение коэффициента передачи по мощности;

G=(Gmax– Gmin)/Gmin – неравномерность ЧХ;

n – число реактивных элементов цепи.

Таблица СЦ, полученные в результате решения задачи Фано G Цепь № Рис. Методика расчета | Гmax | Gmin n Классический метод Фано-Юлы 1 10а 0,8261 0,0588 0,417 Метод «реальной частоты» 2 10б 0,8487 0,0381 0,389 INDESYS-MATCH, сосредоточенный базис 3 10в 0,8539 0,059 0,382 INDESYS-MATCH, сосредоточенный базис 4 10г 0,8835 0,025 0,3415 INDESYS-MATCH, распределенный базис 5 10д 0,8304 0,108 0,412 INDESYS-MATCH, сосредоточенно 6 10е 0,8304 0,089 0,412 распределенный базис Визуальное проектирование в LOCUS — 7 0,8132 0,077 0,432 (М.В. Черкашин) INDESYS-MATCH, заданное волновое сопро — 8 0,8268 0,0787 0,416 тивление ЛП (125 Ом) — Гибридный ГА (P. Abrie, D. Plessis) — 9 0,8562 0,379 17,22 нГн 18,303 нГн 16,85 нГн 50 Ом 13,57 нГн 21,85 24 нГн 18,303 нГн 23,15 нГн 18,303 нГн нГн 3,82 пФ 3,82 пФ 2,83 пФ 3,82 пФ 120 Ом 6,18 пФ 1,28 пФ 3,08 пФ 2,936 пФ 1,12 пФ 50 Ом 110 Ом 50 Ом 110 Ом СЦ Нагрузка в) а) б) 130 Ом 134 Ом 18,303 нГн 4,27 нГн 84,4о о 18,303 нГн 18,303 нГн 73, 50 Ом 50 Ом 3,82 пФ 3,82 пФ 3,82 пФ 4,75 пФ 135 Ом 2,72 пФ 2,57 пФ 0,968 пФ 20 Ом о о 110 Ом 47, 110 Ом 19, 110 Ом 50 Ом д) г) е) Рис. 10. СКЦ, полученные в результате решения задачи Фано Для сравнения дано решение задачи Фано классическим методом (рис. 10а) – цепь 4-го порядка с трансформатором на сосредоточенных элементах. Метод «реаль ной частоты» позволил получить цепь меньшего порядка и лучшими характеристиками (рис. 10б), чем с использованием классического метода.

С использованием программы INDESYS-MATCH получены следующие резуль таты: 1) повышение Gmin при той же структуре цепи (рис. 10в);

2) нетипичная цепь (с LC-контуром) с повышением Gmin (рис. 10г);

3) продемонстрированы возможности за дания разных элементных базисов (в т.ч. несоразмерных отрезков ЛП), а также наложения ограничений как на структуру, так и на элементы (рис. 10в-10е).

Таким образом, из табл. 2 следует превосходство подхода к синтезу СКЦ, реа лизованного в программе INDESYS-MATCH, в том числе и над алгоритмом гибридного ГА Абри-Плезиса. Задача является достаточно простой для реализованно го алгоритма во всех случаях (решение находится за несколько секунд).

Кроме того, решалась тестовая задача синтеза пятисекционного трансформато ра импедансов на отрезках ЛП с коэффициентом трансформации 15 в полосе частот от 1 до 2 ГГц. При синтезе с помощью INDESYS-MATCH использовались классиче ские структуры в виде каскадно-соединенных четвертьволновых отрезков ЛП, такая же структура при неравных длинах отрезков, а также выполнялся поиск оптимальной структуры трансформатора. Целью исследования была демонстрация возможности поиска оптимальных решений, а также возможности компромисса между коэффици ентом отражения и суммарной длиной трансформатора.

Результаты синтеза трансформатора импедансов с помощью разработанного подхода к синтезу превосходят результаты классического приближеного метода син теза трансформаторов при чебышевском равноволновом приближении (А.Л. Фельдштейн) и сопоставимы с результатами, полученными «визуальным проек тированием» в программе IMAGE (А.Ю.Поляков).

Наиболее интересной явля ется полученная схема трансформатора с параллельным шлейфом в первом звене с |Гmax| = Рис. 11. Нетипичная структура трансформатора 0,0382 (рис. 11). При практиче ской реализации длина такого трансформатора может быть приблизительно равной длине 3-ступенчатого «классического» четвертьволнового трансформатора (270°).

Однако последний трансформатор имеет худшее значение |Гmax| = 0,05 и меньшую от носительную полосу пропускания (1,857).

Для демонстрации возможности применения программы INDESYS-MATCH при проектировании СВЧ транзисторных усилителей решается задача синтеза меж каскадной СКЦ в двухкаскадном усилителе: полоса частот от 4 до 6 ГГц, компенсация наклона ЧХ коэффициента передачи транзисторов 12 дБ/октаву. В каче стве импедансов генератора и нагрузки выступают соответственно выходное и входное сопротивления усилительных каскадов. Накладываются также дополнитель ные требования на структуру СКЦ для разделения каскадов по постоянному току и подачи смещения на транзисторы.

96,078 Ом 141,902 Ом 33,244 пФ 4,759 пФ 2,940 нГн 1,375 пФ 1,763 нГн 34,159 3, 52,156 Ом 23,529 Ом 5,057 нГн 1,696 нГн 10 нГн 0,629 нГн 0,682 пФ 121,306 49, 3,598 нГн Рис. 12. Схемы синтезированных межкаскадных СКЦ В результате было одновременно получено 12 удовлетворяющих требованиям схем в сосредоточенном и сосредоточенно-распределенном базисах, некоторые из них показаны на рис. 12.

Для поиска предельных возможностей разработанного подхода исследованы возможности синтеза многоэлементных СКЦ со сложной формой ЧХ. За основу взята задача проектирования двухполосного 8-элементного фильтра с полосами пропуска ния от 0,65 до 0,75 ГГц и от 1,3 до 1,6 ГГц. Полученное в результате синтеза решение (рис.13а) практически не уступает по своим характеристикам (рис. 13б, сплошная ли ния) решению на основе классической процедуры синтеза, приведенной в работе Г.Н. Девяткова (прерывистая линия).

а) результаты синтеза в INDESYS-MATCH б) моделированные характеристики.

Рис. 13. Результаты синтеза двухполосного 8-элементного фильтра Кроме перечисленных решаются и другие тестовые задачи.

В главе также представлены результаты решения практических задач синтеза СКЦ для СВЧ транзисторных усилителей. В частности, подробно описан процесс проектирования трехкаскадного 3-каскадного монолитного МШУ X-диапазона для НПФ «Микран» (структурная схема показана на рис. 14, исходные требования и ха рактеристики полученного усилителя приведены в табл. 3).

Активный Выходная Межкаскадная Активный Межкаскадная Активный Входная элемент 3 СКЦ СКЦ СКЦ 1 элемент СКЦ элемент Zг=50 Ом Zн=50 Ом Рис. 14. Структурная схема 3-каскадного МШУ X-диапазона Таблица Параметры синтезированного МШУ Результаты мо Наименование характеристики Требования делирования Диапазон частот 7-13 ГГц 7-13 ГГц Коэффициент шума не более 2,7 дБ до 2, Коэффициент усиления не менее 21 дБ от 24, Неравномерность коэффициента усиления не более 1,5 дБ до 1,5 дБ Модуль коэффициента отражения от входа/выхода не более -15 дБ до -15 дБ С использованием программы INDESYS-MATCH решен ряд практических за дач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей, в том числе:

копланарные гетероструктурные усилители мм-диапазона волн на основе 0,13 мкм GaAs mHEMT технологии ИСВЧПЭ РАН (рис. 15, 16), МШУ диапазона 27-31 ГГц с фильтрующими свойствами для системы космической связи по монолитной 0,1 мкм GaAs mHEMT технологии D01MH фирмы OMMIC (рис.17).

а) Принципиальная схема б) Моделированные в) Топология (1,8х0,9мм) усилителя характеристики Рис. 15. Однокаскадный усилитель диапазона 34-38 ГГц по технологии ИСВЧПЭ 34 GHz 9_Schematic 17.99 dB 30 34 GHz 17.01 dB 20 34 GHz 16.33 dBm 10 0 -10 37.5 GHz 30 GHz -10.85 dB -10.43 dB -20 -30 41 GHz 1. -40 0 20 40 Frequency (GHz) DB(|S(2,1)|) (L) DB(|S(1,1)|) (L) DB(P ORT_2)) (L, dBm T(P ) 3_Schem atic 3_Schem atic 3_Schem atic K() (R) DB(|S(2,2)|) (L) DB(PGain(P ORT_1,PORT_2)) (L) 3_Schem atic 3_Schem atic 3_Schem atic а) Принципиальная схема б) Моделированные в) Топология (2x1,5мм) усилителя характеристики Рис. 16. Трехкаскадный усилитель диапазона 34-37,5 ГГц по технологии ИСВЧПЭ а) Моделированная АЧХ б) Моделированные характе- в) Топология (2x3мм) ристики шума и согласования Рис. 17. Трехкаскадный усилитель диапазона 27 – 31 ГГц по технологии OMMIC В конце главы подводятся итоги по результатам решения тестовых и практиче ских задач синтеза. Процесс синтеза СКЦ занимает от нескольких секунд (4-6 для задачи Фано) до нескольких минут (до 10 для двухполосного фильтра), процесс зада ния требований в программе занимает менее 10 минут. Результаты синтеза в INDESYS-MATCH по своим характеристикам сравнимы и даже в большинстве случа ев превосходят описанные в литературе результаты, полученные другими методами.

При этом разработанный метод показал ряд преимуществ, значимых с точки зрения его использования на практике: одновременно получается несколько решений, име ющих различную структуру;

гибко контролируется структура цепей и значения параметров элементов, что позволяет учесть различные практические требования (минимизация габаритов цепи, подача смещения на транзистор и др.).

В заключении отмечаются результаты работы:

1) Разработан подход к структурно-параметрическому синтезу широкополосных СКЦ (с перспективой расширения и на другие классы РЭУ) на основе ГА и морфоло гических И-ИЛИ деревьев, позволяющий контролировать структуру и параметры элементов синтезированных цепей и получать одновременно несколько схемных ре шений. Это позволяет синтезировать удобные с точки зрения практической реализации цепи.

2) Предложен подход к моделированию РЭУ на основе сопоставления морфоло гическому дереву иерархически вложенных аналитических моделей компонентов, ориентированный на применение в задачах структурно-параметрического синтеза.

3) Разработан ряд эвристических правил (удаления дублирующихся звеньев в лестничной цепи, фиксирования количества элементов, нишевой селекции РЭУ), обеспечивающих генерацию корректных схем лестничных цепей и сокращающих время синтеза.

4) Разработана программная система INDESYS, являющаяся основой для реали зации прикладных программ в области СВЧ РЭУ. Созданная на ее основе программа INDESYS-MATCH обеспечивает решение широкого круга задач синтеза широкопо лосных СКЦ как на сосредоточенных, так и на распределенных элементах, при произвольных частотнозависимых комплексных импедансах генератора и нагрузки и при произвольной форме ЧХ коэффициента передачи по мощности. Программа поз воляет полностью автоматизировать решение задачи структурно-параметрического синтеза СКЦ, получать реализуемые на практике схемы с высокими техническими характеристиками, сократить время и трудоемкость синтеза СКЦ, снизить требования к уровню квалификации и опыту проектировщика.

5) С использованием программы INDESYS-MATCH решен ряд практических за дач синтеза СКЦ для монолитных СВЧ транзисторных усилителей, в том числе: при создании копланарных гетероструктурных усилителей мм-диапазона волн на основе технологии ИСВЧПЭ РАН;

трехкаскадного МШУ диапазона 27-31 ГГц с фильтрую щими свойствами технологии D01MH фирмы OMMIC;

трехкаскадного МШУ диапазона частот 7-13 ГГц для НПФ «Микран».

Приложения содержат краткий обзор методов синтеза широкополосных СКЦ (аналитические, численные, графо-аналитические и визуальные методы) и копии до кументов, подтверждающих внедрение и использование результатов диссертационной работы.

Основное содержание диссертации отражено в следующих статьях журналов и сборников трудов международных конференций:

1. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И. Организация универсальной программной системы для синтеза радиоэлектронных устройств на основе генетического алгоритма // До клады ТУСУР. – 2007. – №2.– С.151-156.

2. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И., Барышников А.С., Добуш И.М., Кошевой С.Е., Песков М.А., Шеерман Ф.И. Интеллектуальная САПР СВЧ-устройств INDESYS // Информационные технологии. – 2010. – №2. – С.42-48.

3. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуилов А.А. Программа построения моделей элементов монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов // Известия ТПУ. – 2010. – №5. – С.97- 4. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуилов А.А., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И. Разработка интеллектуальной системы автома тизированного проектирования СВЧ-устройств INDESYS // Доклады ТУСУР. – 2010.

– №2. – С.93-97.

5. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Добуш И.М., Песков М.А., Самуи лов А.А. Программа INDESYS-MB для построения моделей элементов СВЧ монолитных интегральных схем на основе многомерных полиномов // Доклады ТУСУР. – №2. – 2010. – С.89-93.

6. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Бабак Л.И., Песков М.А., Самуилов А.А., Черка шин М.В., Шеерман Ф.И., Разработка интеллектуальной САПР СВЧ устройств INDESYS // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно практ. конф. – Томск: В-Спектр. – 2010.

7. Дорофеев С.Ю., Абрамов А.О., Каратаев Е.П., Песков М.А., Самуилов А.А., Мо дуль визуализации данных в САПР INDESYS // Электронные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. – Томск: В-Спектр. – 2010.

8. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И., Реализация программы синтеза согласующих цепей с использованием генетического алгоритма и шаблонной архитектуры // Электрон ные средства и системы управления: Матер. Междунар. научно-практ. конф. – Томск:

изд-во ИОА СО РАН. – 2007. – Ч. 2. – С. 124–127.

9. Дорофеев С.Ю., Бабак Л.И., Синтез согласующих цепей на сосредоточенных и распределённых элементах с использованием генетического алгоритма // 18-я Меж дународная конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо’2008): Материалы конф. – Севастополь: Вебер. – 2008. – С. 133–134.

10. Дорофеев С.Ю., Зайцева М.А., Степачева А.В., Тестирование подсистемы мо делирования радиоэлектронных устройств в САПР INDESYS // Студент и научно технический прогресс: материалы Международной научн. студенческой конф. – Но восибирск: НГУ. – 2010. – С.256.

11. Дорофеев С.Ю., Каратаев Е.П., Модуль графического представления расчётных данных в системе INDESYS // Студент и научно-технический прогресс: материалы Международной научн. конф. – Новосибирск: НГУ. – 2010. – С.12.

12. Дорофеев С.Ю., Каратаев Е.П., Песков М.А., Платформа INDESYS Framework для создания специализированных программ в области проектирования СВЧ устройств // Современные техника и технологии: материалы Международной научн. практ. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. – Томск: Изд-во Томского по литехнического университета. – 2010. – С.328–330.

13. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ «Интел лектуальная среда проектирования РЭУ «Intelligent Design System», №2008612128 от 29 апреля 2008г.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.